無人機基於Matlab/Simulink的模型開發(連載一）

• 2019 年 10 月 17 日
• 筆記

「一切可以被控制的對象，都需要被數學量化」

這是筆者從事多年研發工作得出的道理，無論是車輛控制，機器人控制，飛機控制，還是無人機控制，所有和機械運動相關的控制，如果不能被很好的數學量化，那麼將不會被很好的控制。

因為工作需要，筆者曾拜訪過很多無人機研發公司，高校和研究所。發現大多數無人機研發公司的研發手段，相較於國外，還很初級。基本都是嵌入式開發居多，側重於驅動的修改，飛行邏輯的修改。我認為這算不上是嚴格的無人機開發。因為大多數公司，都沒有給被控對象(無人機)，建立完整的數學模型。只是利用開源的框架，調整控制參數，沒有完整的測試流程和測試指標。這樣研發出來的飛機一致性很差，每一架飛機的飛行狀態都不統一，完全不能滿足於工業應用的場景。2018/2019年倒閉的無人機公司，大多數都是存在這種情況。

不乏有些原本從事互聯網軟體開發的公司，轉行從事無人機開發。在運動控制領域，和互聯網軟體開發的不同。有的時候互聯網軟體開發，不需要建立被控對象的數學模型。秉承設計模式，軟體架構設計，協作編程，大規模軟體集中測試，上線。在無人系統開發中，軟體構架設計也是必不可少的，但是在測試的環節，如果沒有建立數學模型，測試無從談起，因為一般的真機測試，代價，效率和測試密集程度遠遠達不到要求。因為一個BUG會導致飛機墜毀，而任何一個新系統，往往存在大量的BUG。

而在已經成熟工業界，比如汽車，飛機製造，電力電子，航天等領域大量採用了基於Matlab基於Simulink的模型開發手段。

我們阿木實驗室提供如下的課程體系和打包工具：

課程將全面，細緻地講解如何基於模型(Simulink)的方法設計一套功能強大的飛控系統。本課程由多位一線資深飛控工程師設計，結合多年的基於模型的飛控開發經驗，給大家提供最先進，最前沿的飛控開發體驗。

概述

基於模型的開發將省去繁瑣的程式碼編寫步驟，只需要拖動幾個模組，就像搭積木一般，輕鬆搭建您自己的飛控演算法。飛控開發人員可以將更多的精力放在演算法本身，而不需要過多關注程式碼實現的細節，這樣將大大加快開發的效率，減少在程式碼編寫過程中產生的錯誤。同時，基於模型的開發具有優秀的程式碼復用性。也就是說，已經設計好的功能模組，只需要簡單的複製粘貼，就能輕鬆地應用到其它任何地方，免去了程式碼移植過程的繁瑣。

基於模型的開發另外一個強大的優勢即在於「一次試驗，多次模擬」的目的。結合Simulink強大的開環和閉環模擬系統，只需採集一次數據，便可通過模擬再現在真實世界中的實際表現。通過修改模型演算法或參數，可以進行在線的數據模擬和調試，大大簡化調試的難度。

系統介面與匯流排設計

在我們設計控制系統之前，首先要做的就是定義系統的輸入/輸出介面。在Simulink中，介面一般都是以匯流排的方式進行定義。可以將匯流排理解為C語言中的結構體，當把Simulink模型自動生成C程式碼後，也可以看到匯流排最終是用結構體來進行實現的。

對於內環的姿態環控制器來說，輸入匯流排設計如下：

Command_Bus

Reference_Bus

States_Bus

輸入介面總共有三個匯流排，分別是Command_Bus，Reference_Bus和States_Bus。其中Command_Bus是控制匯流排，用來對控制系統進行一些設置，如模式設置，複位等。Reference_Bus和States_Bus是目標訊號匯流排和狀態訊號匯流排，可以理解為控制器的目標值和當前值。控制器的目的就是通過控制來使得當前值儘可能收斂到目標值。

輸入介面設計完了，接下來是輸出介面。輸出介面相比輸入要簡單很多，無非就是多路pwm指令輸出。這裡我們預留6個pwm輸出介面，即最多可以支援6軸的控制，當面，也可以根據自己的需要，來進行修改。

Control_Out_Bus

好了，現在介面都定義好了，那麼下一步的問題就是如何在Simulink裡面來實現這些介面定義了。

其實，在Simulink中實現這些介面定義很簡單。Simulink提供了一個Bus Editor的工具，只需要進行簡單配置就可以定義任何你需要的介面或者匯流排了。

下面一步一步地講解一下匯流排的定義方法：

• 首先打開控制模型，點擊Edit->Bus Editor

• 這裡我之前已經配置過了，所以能看到我已經定義過的匯流排。但是如果是自己第一次進行設計的話，這裡應該是空的。可以點擊如紅色圈圈所示的add bus來添加Bus訊號，這裡我們總共需要添加4個Bus。三個輸入匯流排和一個輸出匯流排。Bus添加好後，在最右邊的Property，修改Bus的名稱。添加好Bus之後，我們下面就需要往Bus裡面添加Element，即匯流排的元素。首先選定一個Bus,然後點擊藍色圈圈圈出的add element選項，即可添加元素。

• 然後需要對Element進行配置。如圖所示，我們一般只需要對Name，Data Type和Dimension三個選項進行配置即可。Dimension為變數的維度，如果我們的element需要配置為向量或者矩陣，那麼就需要對Dimension進行配置。

• 配置完成後，需要點擊File->Export to File來將Bus的配置保存成.m還活著.mat文件。因為Bus的定義都是保存在工作空間的。當你下次打開matlab的時候，工作空間都是會被清除的，所以我們需要將我們的Bus定義保存成文件，這樣，當下次打開matlab的時候，只需要load一下我們的.mat/.m文件，就能將我們定義的Bus再load進工作空間。

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